從節(jié)能改造視角談變頻技術(shù)在電廠中的應(yīng)用

呂朝剛　于得海

摘要：變頻調(diào)速技術(shù)是目前世界上技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的交流調(diào)速方式。目前變頻器雖然在技術(shù)和價(jià)格上還存在一定難題，隨著電力電子技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在發(fā)電廠的應(yīng)用也將更為廣泛，這一技術(shù)的推廣應(yīng)用將為火力發(fā)電廠在節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、提高上網(wǎng)電價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)力方面發(fā)揮巨大的作用。

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù)發(fā)電廠節(jié)能應(yīng)用

1變頻調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1變頻器的產(chǎn)生背景異步電動(dòng)機(jī)是生產(chǎn)企業(yè)最主要的動(dòng)力設(shè)備之一。作為高能耗設(shè)備，其輸出功率往往不能隨負(fù)荷按比例變化。很多現(xiàn)代工業(yè)工程中需要對(duì)設(shè)備的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，例如造紙機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等等。近年來(lái)，隨著變頻器技術(shù)的成熟以及變頻器應(yīng)用范圍的日益廣泛，使用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)電源進(jìn)行技術(shù)改造成為十分有前途的事業(yè)。變頻器可以根據(jù)負(fù)荷的變化或者控制要求隨時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而起到明顯的節(jié)能效果。目前，這已經(jīng)成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。

1.2變頻器簡(jiǎn)介目前的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等部分組成。整流部分一般為三相橋式整流器，逆變部分為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)三相橋式逆變器，且輸出為脈寬調(diào)制(PWM)波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。

現(xiàn)在，全世界范圍內(nèi)的變頻器應(yīng)用極為廣泛。主流的變頻器品牌包括：ABB、西門(mén)子、丹佛斯、施耐德等，基本上所有著名電氣設(shè)備廠商都有一系列的產(chǎn)品推出。從產(chǎn)品工藝和應(yīng)用技術(shù)上來(lái)看，現(xiàn)在的變頻器已經(jīng)非常成熟。

1.3變頻器調(diào)速原理變頻器通過(guò)控制電壓和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)學(xué)中有如下公式：n=60f(1－s)/p

(1)

式中：n—異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f—異步電動(dòng)機(jī)的頻率；

S—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；

P—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0—50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。實(shí)際應(yīng)用中，如果僅降低頻率，電機(jī)繞組的電流將會(huì)隨之增大，特別是當(dāng)頻率降到很低時(shí)，該問(wèn)題就非常突出，電機(jī)將被燒壞。所以，為了防止電機(jī)燒毀事故的發(fā)生，變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。

2發(fā)電企業(yè)進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造的意義

現(xiàn)今電力系統(tǒng)改革正在不斷深化，廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)政策開(kāi)展實(shí)施，降低廠用電率、降低發(fā)電成本，提高出廠電價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)力，就成為每個(gè)電廠的當(dāng)務(wù)之急。現(xiàn)以裝機(jī)總?cè)萘?15.5MW(10.5MW×11)的柴油機(jī)發(fā)電廠為例，對(duì)其輔機(jī)設(shè)備采用變頻調(diào)速技術(shù)改造進(jìn)行探討。

該火力發(fā)電廠的各種輔助動(dòng)力設(shè)備中，風(fēng)機(jī)、水泵、油泵類負(fù)載占絕大部分，整個(gè)發(fā)電廠最高廠用電負(fù)荷記錄約為2.5MW，輔助動(dòng)力設(shè)備中主滑油泵總?cè)萘繛?.99MW(0.09MW×11)，占發(fā)電廠廠用電40％，如果能夠采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)電改造，效果是相當(dāng)明顯的。

3系統(tǒng)現(xiàn)狀描述

3.1設(shè)備簡(jiǎn)介在該柴油機(jī)發(fā)電廠中，主滑油泵是發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)的重要組成部分，在管路固定的情況下，潤(rùn)滑系統(tǒng)的滑油壓力為關(guān)鍵受控對(duì)象。機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，滑油壓力太低會(huì)影響機(jī)組潤(rùn)滑效果，對(duì)機(jī)組運(yùn)動(dòng)部件造成損害；滑油壓力太高則對(duì)過(guò)濾器、管道及密封膠圈有破壞作用。潤(rùn)滑系統(tǒng)的主滑油泵為德國(guó)萊斯特瑞慈(Leistritz)螺桿泵，由L2型滑油螺桿泵、滑油泵電機(jī)(嘯馳防爆90kW電機(jī))和相關(guān)的機(jī)械調(diào)壓機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

3.2存在節(jié)能空間目前，此潤(rùn)滑系統(tǒng)采用機(jī)械調(diào)壓機(jī)構(gòu)保證機(jī)組滑油壓力控制在允許的范圍內(nèi)，超出正常范圍的壓力全部由機(jī)械調(diào)壓機(jī)構(gòu)回流管道排放回油柜，這樣一來(lái)，電機(jī)輸出功率的很大一部分被排放掉，浪費(fèi)了大量能源。根據(jù)滑油泵廠家資料顯示，滑油泵輸出壓力設(shè)計(jì)在0.8MPa，而該發(fā)電廠柴油機(jī)只需要0.6MPa就可滿足工況需要，滑油泵在0.6MPa、運(yùn)動(dòng)黏度15mm²/S、溫度85％℃寸所需要的功率為48KW，而滑油泵電動(dòng)機(jī)功率為90KW，證明余量很大。咨詢生產(chǎn)廠家后得知，設(shè)計(jì)時(shí)選用大功率電動(dòng)機(jī)的原因是由于螺桿泵起動(dòng)時(shí)需要較大扭矩，如果起動(dòng)方式是直接起動(dòng)而電機(jī)儲(chǔ)量不夠時(shí)易燒毀電機(jī)，變頻技術(shù)在當(dāng)時(shí)還未能推廣，故選用大功率電動(dòng)機(jī)來(lái)達(dá)到工況要求。現(xiàn)在只需要配備比滑油泵功率稍大的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且用平滑無(wú)沖擊的軟起動(dòng)就可以了。

3.3現(xiàn)有系統(tǒng)的弊端現(xiàn)有系統(tǒng)存在以下弊端：一是直接起動(dòng)的交流電機(jī)因起動(dòng)電流大(通常為額定電流的5—7倍)，在很短的起動(dòng)過(guò)程中，籠型繞組或阻尼繞組將承受很高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，致使籠條(或?qū)l)和端環(huán)在很高的應(yīng)力作用下疲勞斷裂；二是直接起動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)在繞組端部產(chǎn)生很大電磁力，使繞組端部變形和振動(dòng)，造成定子繞組絕緣的機(jī)械損傷和磨損，導(dǎo)致定子繞組絕緣擊穿；三是直接起動(dòng)時(shí)的大電流還會(huì)造成鐵心振動(dòng)，使鐵心松弛，引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱：四是機(jī)械調(diào)壓方式經(jīng)常導(dǎo)致滑油泵出口壓力變化偏大，不符合發(fā)電機(jī)需要出口壓力平穩(wěn)的技術(shù)特點(diǎn)，影響發(fā)電機(jī)設(shè)備壽命。

4改造措施

4.1改造方案①異步電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)方式在火力發(fā)電廠中，大容量交流異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用非常廣泛，由于直接起動(dòng)所造成的電動(dòng)機(jī)燒毀和轉(zhuǎn)子斷條事故屢屢發(fā)生，給主機(jī)設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)很大的威脅，因此大容量異步電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)方式，對(duì)于延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)使用壽命，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證正常生產(chǎn)是非常必要的。②在潤(rùn)滑系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)在潤(rùn)滑系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器以及配套的控制系統(tǒng)根據(jù)滑油壓力來(lái)調(diào)節(jié)滑油泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免了電機(jī)頻率恒定、滿負(fù)荷輸出而帶來(lái)的電能浪費(fèi)。而且，每次起?；捅脮r(shí)，變頻器使電機(jī)按照一定的斜率加速，對(duì)電機(jī)本身和相關(guān)的機(jī)械機(jī)構(gòu)的沖擊都大大減少，從而延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

4.2改造所需設(shè)備每改造1臺(tái)機(jī)組的滑油系統(tǒng)，就需要配套使用如下設(shè)備：1臺(tái)110KV變頻器、斷路器、電抗器、綜合保護(hù)器、變頻器柜、變頻控制器、2臺(tái)接觸器及相關(guān)的通信軟件。

4.3控制策略一般情況下，滑油泵電機(jī)的進(jìn)線電源來(lái)自變頻器，另有旁路電源作為故障備用。當(dāng)運(yùn)行人員啟動(dòng)滑油泵時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)滑油泵電機(jī)以一定斜率增速起動(dòng)?；蛪毫鞲衅鲗⒒拖到y(tǒng)當(dāng)前的滑油壓力數(shù)值反饋回變頻器系統(tǒng)的控制裝置，控制裝置根據(jù)反饋的壓力數(shù)值和操作人員預(yù)先設(shè)定的滑油系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)壓力值進(jìn)行比較運(yùn)算，然后變頻器向滑油泵電機(jī)輸出一個(gè)特定的頻率，使滑油泵電機(jī)以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使滑油系統(tǒng)當(dāng)前的滑油壓力數(shù)值維持在一個(gè)最合適的壓力范圍內(nèi)。這樣，通過(guò)泄壓裝置回流的潤(rùn)滑油非常

少，避免了能源浪費(fèi)。

變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)需要的壓力反饋信號(hào)從機(jī)組的傳感器設(shè)備中直接獲得，控制邏輯由控制設(shè)備內(nèi)部的軟件實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)編程，按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定調(diào)節(jié)范圍，選擇合理的控制參數(shù)。基于廠內(nèi)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，可以使變頻系統(tǒng)通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)與其無(wú)縫集成，變頻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行模式選擇、起停等既可就地進(jìn)行操作也可在主控室遙控，運(yùn)行值班人員可以在主控室的電腦畫(huà)面上實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻系統(tǒng)狀態(tài)。

5改造方案的特點(diǎn)

5.1與現(xiàn)有工藝完全配合，無(wú)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)只改動(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)部分，對(duì)現(xiàn)有滑油系統(tǒng)工藝無(wú)影響，不會(huì)因?yàn)樽冾l改造而產(chǎn)生任何不可靠因素。當(dāng)變頻系統(tǒng)進(jìn)行檢修時(shí)，運(yùn)行人員只需稍做操作，就可以將系統(tǒng)切換成原來(lái)的狀態(tài)，使原有的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置能夠重新發(fā)揮作用，做到了平滑切換、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)整合。

5.2可靠性好使用國(guó)際名牌變頻器，技術(shù)成熟，類似的解決方案已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。而且，在參數(shù)設(shè)置時(shí)，充分考慮了廣州地區(qū)高溫、高濕的環(huán)境特性，將變頻器電流限幅為低于額定電流的狀態(tài)，以保證設(shè)備長(zhǎng)期良好運(yùn)行。除了變頻器涉及的基本電氣回路外，對(duì)廠里的一次回路沒(méi)有改動(dòng)，基本不會(huì)因?yàn)樽冾l系統(tǒng)的安裝和運(yùn)行而對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。

5.3與現(xiàn)有控制系統(tǒng)緊密集成該廠現(xiàn)有的主要控制系統(tǒng)是用于機(jī)組控制的控制系統(tǒng)、相關(guān)的控制網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)軟件系統(tǒng)。改造時(shí)，我們將變頻系統(tǒng)和現(xiàn)有的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成，使其與機(jī)組控制系統(tǒng)直接通信，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)編程和組態(tài)，變頻系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)可以直接顯示到上位機(jī)控制軟件的監(jiān)控畫(huà)面上，不僅便于運(yùn)行人員監(jiān)控和遙控，而且便于檢修人員維護(hù)，管理人員也能夠通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)了解變頻系統(tǒng)的相關(guān)信息。

6其他技術(shù)細(xì)節(jié)探討

6.1相關(guān)的傳感器和控制系統(tǒng)

變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)需要的壓力反饋信號(hào)從機(jī)組的傳感器設(shè)備中直接獲得，控制邏輯由控制設(shè)備內(nèi)部的軟件實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)編程，按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定調(diào)節(jié)范圍，選擇合理的控制參數(shù)。

6.2遠(yuǎn)程監(jiān)控改造中變頻器采用施耐德公司產(chǎn)品，與發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)為同一公司生產(chǎn)，其通信功能易與發(fā)電機(jī)現(xiàn)有工控網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，直接采集現(xiàn)有滑油系統(tǒng)壓力值調(diào)節(jié)變頻器，達(dá)到發(fā)電機(jī)工況要求，避免因另外設(shè)點(diǎn)而導(dǎo)致采集值與原值有差異，造成發(fā)電機(jī)保護(hù)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。變頻系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行模式選擇、起停等既可就地操作也可在主控室遙控，運(yùn)行值班人員可以在主控室的電腦畫(huà)面上實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻系統(tǒng)狀態(tài)。

6.3高次諧波抑制由于變頻器逆變電路的開(kāi)關(guān)特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載。變頻器在現(xiàn)場(chǎng)通常與其它設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，例如計(jì)算機(jī)和傳感器，這些設(shè)備常常安裝得很近，這樣可能會(huì)造成相互影響。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。

在清楚地了解詣波產(chǎn)生的原因之后，治理上可采用無(wú)源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑等方法?，F(xiàn)在還出現(xiàn)了無(wú)源濾波器(LC濾波器)與有源濾波器互補(bǔ)混合使用的方式，可充分發(fā)揮LC濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、成本低，有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)。兩者結(jié)合使用，從而使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能，力求將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，達(dá)到科學(xué)合理用電，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社.2005.